اثر متقابل غیریکنواختی جریان و پوشش گیاهی صلب مستغرق بر خصوصیات جریان آشفته

فصلنامه علمی مهندسی منابع آب

مقاله 6، دوره 17، شماره 63، اسفند 1403، صفحه 82-96   

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

شناسه دیجیتال (DOI): 10.30495/wej.2024.33599.2424

نویسندگان

محمد هادی محمدی¹؛ محمد هادی فتاحی^{* 2}؛ امین رستمی راوری³

¹دانشجوی دکتری رشته مهندسی عمران، گرایش مهندسی و مدریت منابع آّب، گروه مهندسی عمران، دانشگاه آزاد اسلامی واحد مرودشت، مرودشت، ایران

²دانشیار، گروه مهندسی عمران، دانشگاه آزاد اسلامی واحد مرودشت، مرودشت، ایران

³استادیار، گروه مهندسی آب، دانشگاه آزاد اسلامی واحد مرودشت، مرودشت، ایران

تاریخ دریافت: 05 تیر 1403،  تاریخ بازنگری: 07 مرداد 1403،  تاریخ پذیرش: 27 مرداد 1403 

چکیده

ناپایداری برشی ناشی از حضور پوشش گیاهی در بستر رودخانه‌ها باعث تبادل جرم و مومنتوم بین لایه‌های داخل و فوقانی پوشش گیاهی می‌شود. حضور پوشش گیاهی باعث کاهش سرعت جریان، کاهش عرض رودخانه، افزایش رسوبگذاری در بستر رودخانه و در نتیجه کاهش دبی جریان عبوری رودخانه می‌شود. آزمایشات این پژوهش در یک کانال مستطیلی مستقیم به طول 14 متر، عرض 90 سانتی متر و عمق 60 سانتی متر تحت دبی ثابت 7/31 لیتر بر ثانیه انجام پذیرفته است. یک گودآب سه‌بعدی شنی با شیب جریان گیاهی صلب مستغرق با ارتفاع 12 سانتی متر و قطر 10 سانتی متر با تراکم ثابت سطحی 004/0 بر روی کندشونده 75/10 درجه و شیب جریان تندشونده 96/7 درجه با بستر شنی احداث شده و المان‌های شکل بستر به صورت نامنظم توزیع شده است. مولفه‌های نوسانی سرعت در 13 مقطع عرضی از مقطع جریان کندشونده تا مقطع جریان تندشونده با گام مکانی 20 سانتی متر توسط دستگاه سرعت سنج صوتی پایین‌نگر با فرکانس نمونه‌برداری 200 هرتز و زمان 90 ثانیه‌ای برداشت شده است.
یافته‌های پژوهش نشان داد حداکثر سرعت جریان در  برای جریان کندشونده و در  برای جریان تندشونده حادث شده است. بنابراین به نظر می‌رسد عمق اعتبار قانون لگارتیمی تابعی از موقعیت اندازه‌گیری پروفیل سرعت و توزیع غیریکنواخت المان‌های گیاهی صلب مستغرق بر روی شکل بستر سه‌بعدی گودآب شنی بوده است. بررسی قانون نقصان سرعت حاکی از آن بوده است که تابع برخاستگی کلز در مقاطع جریان کندشونده و تندشونده در شرایط آزمایش دارای مقادیر  و  هستند. در هر صورت، مقاطع جریان‌های کندشونده و تندشونده در یک گودآب شنی سه‌بعدی در حضور المان‌های گیاهی صلب مستغرق می‌توانند به عنوان مانعی در جریان عمل کنند و باعث خم شدن و چرخش آب در اطراف آن‌ها شوند. این می‌تواند منجر به افزایش تولید گردابه، ایجاد الگوهای جریان پیچیده‌تر با گرداب‌های چرخشی و آشفتگی شود. نتایج حاکی از آن است که شدت‌های آشفتگی در مقطع جریان تندشونده در راستای جریان و در راستای عمود بر جریان همواره بیشتر از مقادیر مشابه در مقطع جریان کندشونده هستند چونکه در این مقاطع جریان به شدت تحت تاثیر حضور المان‌های گیاهی صلب مستغرق، مازاد بر تاثیر افزایش سرعت جریان و گرادیان فشار مطلوب قرار گرفته است. الگوهای گردابی تحت تأثیر گودآب‌های سه‌بعدی و پوشش گیاهی صلب مستغرق می‌توانند پیامدهای اکولوژیکی داشته باشند، زیستگاه‌های کوچکی با سرعت جریان و سطوح تلاطم متفاوت ایجاد کنند و بر توزیع موجودات آبزی و سلامت کلی اکوسیستم تأثیر بگذارد. درک اثرات این موضوع برای کاربردهای مختلف از جمله احیای رودخانه، بهبود زیستگاه و مدیریت منابع آب بسیار مهم است.

کلیدواژه‌ها

پوشش گیاهی مستغرق صلب؛ جریان‌های کندشونده و تندشونده؛ شکل بستر سه‌بعدی گودآب؛ رودخانه ماربر پادنا

عنوان مقاله [English]

Non-Uniform Interaction Effect of Flow and Rigid Submerged Vegetation on Turbulent Flow Characteristics

نویسندگان [English]

Mohammad Hadi Mohammadi¹؛ Mohammad Hadi Fattahi²؛ Amin Rostami Ravari³

¹Phd Candidate, Department of Civil Engineering, Islamic Azad University, Marvdasht Branch, Marvdasht, Iran

²Phd Candidate, Department of Civil Engineering, Islamic Azad University, Marvdasht Branch, Marvdasht, Iran

³Assistant Professor, Department of Water Department, Islamic Azad University, Marvdasht Branch, Marvdasht, Iran

چکیده [English]

Vegetation patches in riverbeds create shear instability, leading to the transfer of mass and momentum between different layers of vegetation. The presence of vegetation reduces flow velocity, narrows the river width, increases sedimentation in the riverbed, and consequently decreases discharge. The study conducted experiments in a straight rectangular channel measuring 14 meters in length, 90 cm in width, and 60 cm in depth, with a constant flow rate of 31.7 L/s. A 3D pool was constructed with a gravel bed and rigid submerged vegetated elements of 12 cm height and 10 cm diameter, with a fixed area density of 0.004 irregularly distributed on the bedform. Velocity fluctuations were measured at 13 cross-sections from the decelerating flow region to the accelerating flow region with a spatial interval of 20 cm using a downward-looking ADV device with a sampling frequency of 200 Hz over a 90-second period. The research revealed that the maximum flow speed occurred at y/h=0.52 for decelerating flow and at y/h=0.47 for accelerating flow. However, the depth of validity of the logarithmic law appeared to depend on the velocity profile measurement location and the non-uniform distribution of submerged rigid vegetated elements on the 3D bedform. Analysis of the velocity defect law showed wake strength coefficients of Π=-2.8 and Π=-5 in the decelerating and accelerating flow sections respectively. These sections, in the presence of submerged rigid vegetated elements, can impede flow, causing water to swirl and bend around them, leading to increased vorticity generation and the formation of complex flow patterns with rotating vortices. Turbulent intensities in the accelerating flow section, both in the flow direction and perpendicular to it, were consistently higher than those in the decelerating flow section. This suggests that the flow in these areas is significantly influenced by the presence of submerged rigid vegetation, in addition to the effects of increased flow velocity and favorable pressure gradient. Eddy patterns influenced by the 3D pool and submerged rigid vegetation can have ecological implications, creating micro-habitats with varying current velocities and turbidity levels, impacting the distribution of aquatic organisms and overall ecosystem health. Understanding these implications is crucial for applications such as river restoration, habitat enhancement, and water resource management.

کلیدواژه‌ها [English]

Rigid Vegetated elements, Acceleration and decelerating flows, 3D pools, Padena Marbor River

مراجع

1.       Gran, K. and C. Paola, Riparian vegetation controls on braided stream dynamics. Water Resources Research, 2001. 37(12): p. 3275-3283.

2.               Kean, J.W. and J.D. Smith, Flow and boundary shear stress in channels with woody bank vegetation. Riparian vegetation and fluvial geomorphology, 2004. 8: p. 237-252.

3.       Espín, L. and D.T. Papageorgiou, Flow in a channel with accelerating or decelerating wall velocity: a comparison between self-similar solutions and Navier–Stokes computations in finite domains. Physics of Fluids, 2009. 21(11).

4.               Seddighi, M., et al., Direct numerical simulation of an accelerating channel flow. Flow, turbulence and combustion, 2014. 92: p. 473-502.

5.               Sundstrom, L.J. and M.J. Cervantes, Laminar similarities between accelerating and decelerating turbulent flows. International journal of heat and fluid flow, 2018. 71: p. 13-26.

6.               Mathur, A., et al., Temporal acceleration of a turbulent channel flow. Journal of Fluid Mechanics, 2018. 835: p. 471-490.

7.               Emadzadeh, A., Y.M. Chiew, and H. Afzalimehr, Effect of accelerating and decelerating flows on incipient motion in sand bed streams. Advances in Water Resources, 2010. 33(9): p. 1094-1104.

8.       Mathur, A., Study of accelerating and decelerating turbulent flows in a channel. 2016, University of Sheffield.

9.               Houra, T., T. Tsuji, and Y. Nagano, Effects of adverse pressure gradient on quasi-coherent structures in turbulent boundary layer. International journal of heat and fluid flow, 2000. 21(3): p. 304-311.

10.           Cardoso, A., W.H. Graf, and G. Gust, Steady gradually accelerating flow in a smooth open channel. Journal of Hydraulic Research, 1991. 29(4): p. 525-543.

11.   Song, T., Non-uniform open-channel over a rough bed. Journal of Hydroscience and hydraulic Engineering, JSCE, 1994. 12(1): p. 1-25.

12.   Song, T. and Y. Chiew, Turbulence measurement in nonuniform open-channel flow using acoustic Doppler velocimeter (ADV). Journal of Engineering Mechanics, 2001. 127(3): p. 219-232.

13.           KIRONOTO, B.A., W.H. Graf, and Reynolds, Turbulence characteristics in rough non-uniform open-channel flow. Proceedings of the institution of civil engineers-water maritime and energy, 1995. 112(4): p. 336-348.

14.           Kabiri, F., M.R.M. Tabatabai, and M. Shayannejad, Effect of vegetative bed on flow structure through a pool-riffle morphology. Flow Measurement and Instrumentation, 2022. 86: p. 102197.

15.   Parvizi, P., et al., Characteristics of Shallow Flows in a Vegetated Pool—An Experimental Study. Water, 2023. 15(1): p. 205.

16.   16.  Nosrati, K., H. Afzalimehr, and J. Sui, Drag coefficient of submerged flexible vegetation patches in gravel bed rivers. Water, 2022. 14(5): p. 743.

17.           Nosrati, K., H. Afzalimehr, and J. Sui, Interaction of Irregular Distribution of Submerged Rigid Vegetation and Flow within a Straight Pool. Water, 2022. 14(13): p. 2036.

18.   18.  Afzalimehr, H., K. Nosrati, and M. Kazem, Resistance to Flow in a Cobble-Gravel Bed River with Irregular Vegetation Patches and Pool-Riffle Bedforms (Case study: Padena Marbor River). Ferdowsi Civil Engineering, 2021. 34(2): p. 35-50.

19.   Tang, C., Y. Yi, and S. Zhang, Flow and turbulence in unevenly obstructed channels with rigid and flexible vegetation. Journal of Environmental Management, 2023. 326: p. 116736.

20.           Dehrashid, F.A., et al., CFD modeling the flow dynamics in an open channel with double-layered vegetation. Modeling Earth Systems and Environment, 2023. 9(1): p. 543-555.

21.   Nicosia, A., et al., Flow Resistance of Flexible Vegetation in Real‐Scale Drainage Channels. Hydrological Processes, 2023: p. e14883.

22.           Dehsorkhi, E.N., H. Afzalimehr, and S. Jueyi, Effects of vegetation channel banks and gravel size on flow structure. International Journal of Sediment Research, 2010. 25(2): p. 110-118.

23.           Nasiri Dehsorkhi, E., H. Afzalimehr, and V.P. Singh, Effect of bed forms and vegetated banks on velocity distributions and turbulent flow structure. Journal of Hydrologic Engineering, 2011. 16(6): p. 495-507.

24.   Afzalimehr, H., E. Fazel Najfabadi, and V.P. Singh, Effect of vegetation on banks on distributions of velocity and Reynolds stress under accelerating flow. Journal of Hydrologic Engineering, 2010. 15(9): p. 708-713.

25.   Nakagawa, H., Turbulence in open channel flows. 2017: Routledge.

26.           Bassey, O.B. and J. Agunwamba, Derived Models for the Prediction of Cole’s and Dip Parameters for Velocity Gradients Determination in Open Natural Channels. J. Civ. Environ. Res, 1998. 8: p. 1-19.

27.           Afzalimehr, H. and F. Anctil, Friction velocity associated to a non-uniform flow and an intermediate scale roughness. Journal of Hydraulic Research, 2001. 39(2): p. 181-186.

28.   Afzalimehr, H., V.P. Singh, and M. Abdolhosseini, Effect of nonuniformity of flow on hydraulic geometry relations. Journal of Hydrologic Engineering, 2009. 14(9): p. 1028-1034.

29.           Pu, J.H., et al., Submerged flexible vegetation impact on open channel flow velocity distribution: An analytical modelling study on drag and friction. Water Science and Engineering, 2019. 12(2): p. 121-128.

30.    Brahimi, M. and H. Afzalimehr, Effect of submerged vegetation density on flow under favorable pressure gradient. SN Applied Sciences, 2019. 1: p. 1-12.

31.           Haizhou, T. and W.H. Graf, Friction in unsteady open-channel flow over gravel beds. Journal of Hydraulic Research, 1993. 31(1): p. 99-110.

32.   Graf W. H. and Altinakar M. S. 1998, F.H., Flow and transport processes in channels of simple geometry. John Wiley and Sons, New York, p. 681.

33.           Schlichting, H. and K. Gersten, Boundary-layer theory. 2016: springer.

34.           Afzalimehr, H. and F. Anctil, Accelerating shear velocity in gravel-bed channels. Hydrological sciences journal, 2000. 45(1): p. 113-124.

35.   Stone, M.C. and R.H. Hotchkiss, Evaluating velocity measurement techniques in shallow streams. Journal of Hydraulic Research, 2007. 45(6): p. 752-762.

36.           Afzalimehr, H., E.F. Najafabadi, and J. Gallichand, Effects of accelerating and decelerating flows in a channel with vegetated banks and gravel bed. International Journal of Sediment Research, 2012. 27(2): p. 188-200.

37.   Afzalimehr, H., et al., Investigation of turbulence characteristics in channel with dense vegetation. International Journal of Sediment Research, 2011. 26(3): p. 269-282.

38.   Afzalimehr, H. and D. Subhasish, Influence of bank vegetation and gravel bed on velocity and Reynolds stress distributions. International Journal of Sediment Research, 2009. 24(2): p. 236-246.

39.           Caroppi, G., et al., Vegetated channel flows: Turbulence anisotropy at flow–rigid canopy interface. Geosciences, 2018. 8(7): p. 259.

40.           Kang, H.-S. and S.-U. Choi, Anisotropy of turbulence in vegetated open-channel flows. Journal of Korea Water Resources Association, 2005. 38(10): p. 871-883.

41.   Nickel, K., Prandtl's boundary-layer theory from the viewpoint of a mathematician. Annual Review of Fluid Mechanics, 1973. 5(1): p. 405-428.

42.   Wang, Z.-Q. and N.-S. Cheng, Secondary flows over artificial bed strips. Advances in water resources, 2005. 28(5): p. 441-450.

43.           Liu, H., et al., Turbulence characteristics in partially vegetated open channels with alternating sparse and dense patches. Physics of Fluids, 2024. 36(1).

44.   Patra, S., B. Kumar, and M. Pandey, Experimental study on the turbulence characteristics in a vegetated channel. Flow Measurement and Instrumentation, 2023. 94: p. 102464.